Alimentando qualsiasi cosa, dagli smartphone alle auto elettriche, le batterie agli ioni di litio (LIB) si sono evolute notevolmente con i progressi nel la tecnologia e ha rivoluzionato il nostro mondo. Il prossimo passo nel progresso della tecnologia sarà lo sviluppo di batterie ancora migliori per alimentare i dispositivi elettronici per periodi più lunghi. Una tecnica promettente per aumentare le prestazioni della batteria prevede la sostituzione atomica di ioni caricati positivamente, o cationi, nel materiale del catodo. Tuttavia, farlo sistematicamente per diversi cationi sostituenti per determinare sperimentalmente quelli ideali è complesso e costoso, lasciandoci con le simulazioni come unica opzione praticabile per restringere le scelte.
Diversi studi hanno riportato una durata della batteria e una stabilità termica migliorate in base ai risultati ottenuti utilizzando un approccio basato sulla simulazione. Tuttavia, tali miglioramenti hanno, a loro volta, abbassato la capacità di scarica della batteria, che è la quantità di energia che una batteria può fornire in una singola scarica. Di conseguenza, deve essere eseguita una ricerca approfondita per il sostituente cationico che migliora la capacità di scarica.
In questo contesto, un team di scienziati guidato dal Prof. Ryo Maezono del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ha condotto un ampio screening di diversi cationi per la sostituzione parziale del nichel in un LIB a base di nichel con l'intento di migliorare la batteria capacità di scarico.
“La capacità di scarico può essere determinata utilizzando il profilo di scarico, che è il voltaggio cambiamento durante il processo di carica-scarica”, spiega il Prof. Maezono. “Abbiamo utilizzato i calcoli dei primi principi per valutare i profili di scarico dei materiali che, a loro volta, determinano le loro capacità di scarico. Tuttavia, questi calcoli sono costosi dal punto di vista computazionale, quindi abbiamo integrato altri metodi per restringere i candidati per la sostituzione dei cationi. Per quanto ne sappiamo, questo è il primo studio che prevede con successo la sostituzione dei cationi per aumentare la capacità della batteria”.
Una strategia importante per prevedere con successo il profilo della tensione di scarica è il funzionale "fortemente vincolato e opportunamente normato" (SCAN). Tuttavia, a causa dei grandi costi di elaborazione coinvolti, tali metodi non sono pratici per uno screening esteso. Quindi, il team ha iniziato utilizzando tecniche relativamente poco costose come la teoria del funzionale della densità e l'espansione dei cluster per identificare i candidati idonei per la sostituzione dei cationi e quindi ha applicato il funzionale SCAN ai candidati dedotti per garantire affidabilità e accuratezza nelle previsioni di tensione.
Il processo di screening ha rivelato che la massima capacità di scarica è stata ottenuta quando il nichel è stato parzialmente sostituito con platino e palladio in LIB a base di nichel. Questi risultati erano coerenti con i dati sperimentali, convalidando la metodologia proposta.
Mentre il Prof. Maezono sottolinea la necessità di ulteriori ricerche, è ottimista sul futuro del loro processo di screening a basso costo. “I nostri risultati indicano che i sostituenti come il renio e l'osmio offrono elevate capacità di scarica. Tuttavia, questi elementi sono rari e costosi e metterli in pratica sarebbe difficile. Sono necessari ulteriori studi per ottenere lo stesso effetto con meno sostituzioni, sostituzioni di più elementi o sostituzioni di anioni", afferma. “Detto questo, la nostra nuova tecnica computazionale accelererà la ricerca di materiali ottimali che migliorino le prestazioni della batteria a costi inferiori, consentendoci di sostituire la maggior parte delle nostre attuali elettricità fonti con alternative prive di carbonio”.
